 |
Role of singlet oxygen in intracellular signaling and extracellular interactions of cyanobacteria and microalga
|
Help 
Print 
|
Here you can view and search the projects funded by NKFI since 2004
Back »
|
| |
Details of project |
|
|
| Identifier |
116016 |
| Type |
K |
| Principal investigator |
Vass, Imre |
| Title in Hungarian |
A szinglet oxigén szerepe cianobaktériumok és mikroalgák jelátviteli folyamataiban és a környezetükkel való kölcsönhatásaiban |
| Title in English |
Role of singlet oxygen in intracellular signaling and extracellular interactions of cyanobacteria and microalga |
| Keywords in Hungarian |
szinglet oxigén, sejten belüli jelátvitel, extracelluláris kommunikáció, cianobaktérium |
| Keywords in English |
singlet oxygen, intracellular signaling, extracellular communication, cyanobacteria |
| Discipline |
| Molecular biology (Council of Medical and Biological Sciences) | 60 % | | Ortelius classification: Molecular markers and recognition | | Biophysics (e.g. transport mechanisms, bioenergetics, fluorescence) (Council of Medical and Biological Sciences) | 30 % | | Ortelius classification: Molecular biophysics | | General biochemistry and metabolism (Council of Medical and Biological Sciences) | 10 % |
|
| Panel |
Molecular and Structural Biology and Biochemistry |
| Department or equivalent |
Institute of Plant Biology (HUN-REN Biological Research Centre Szeged) |
| Participants |
Kirtania, Prithwiraj
Kós, Péter
Mallick, Ivy
Patyi, Gábor
Paul, Kenny
Rehman, Ateeq ur
Sass, László
Tömböly, Csaba
Ughy, Bettina
|
| Starting date |
2016-01-01 |
| Closing date |
2020-12-31 |
| Funding (in million HUF) |
43.592 |
| FTE (full time equivalent) |
18.16 |
| state |
closed project |
Summary in Hungarian A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
A szinglet oxigén (1O2) nagy reaktivitása miatt proteinek, lipidek és egyéb sejtalkotók irreverzibilis módosulását okozza. Ez a hatás az élő sejtek károsodását eredményezi, alacsonyabb koncentrációk esetén azonban transzkripciós faktorok módosítása révén a 1O2 intracelluláris jelátviteli folyamatokban is fontos szerepet játszhat. Noha a 1O2 jelátviteli szerepét növényi sejtekben már kimutatták, a növényi fotoszintézis és oxidatív stressz hasznos modelljeként szolgáló cianobakteriális rendszerekben erre vonatkozó eredmény még nem ismert. Eddigi vizsgálataink során kidolgoztuk intracelluláris 1O2 szintek detektálását mikroalgákban, azonosítottunk 1O2 által indukálható cianobakteriális géneket. Kimutattuk, hogy cianobaktériumok és más mikroalgák képesek extracelluláris 1O2 termelést indukáló metabolitok kiválasztására. Kifejlesztettük továbbá biolumineszcens szenzor mutánsok létrehozásának módszerét a Synechocystis 6803 cianobaktériumban. Ezen előzetes eredmények alapján tervezzük: (i) 1O2 által indukált jelátviteli komponensek azonosítását és ezek szerepének vizsgálatát Synechocystis 6803-ban. (ii) Intracelluláris 1O2 jelenlétére biolumineszcenciával reagáló szenzormutánsok létrehozását. (iii) Synechocystis sejtek által kiválasztott 1O2 szenzitizáló metabolitok biokémiai és szerkezeti azonosítását. Továbbá annak tisztázását, hogy ezek a metabolitok milyen szerepet játszhatnak a cianobaktériumok és élő környezetük kölcsönhatásaiban. (iii) A korall szimbiózisban résztvevő fotobionta Symbidinium sejtekben keletkező illetve a sejtek által kiválasztott metabolitok által indukált 1O2 szerepének megértését a szimbiotikus kapcsolat fenntartásában illetve annak felbomlásában.
Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.
Vizsgálataink alapkérdése az, hogy milyen szerepe van a szinglet oxigénnek (1O2) a cianobaktériumok intracelluláris jelátviteli folyamataiban, illetve részt vesz-e a sejtekből kiválasztott metabolitok által termelt 1O2 a sejtek és környezetük kölcsönhatásaiban? Kiinduló hipotézisünk szerint az oxidatív stressz kutatások hasznos modellszervezeteként szolgáló cianobaktériumokban a 1O2 által módosított sejtalkotók részt vesznek intracelluláris jelátviteli folyamatokban. Ennek ellenőrzésére tervezzük 1O2 által indukált transzkripciós válaszok feltérképezését és 1O2 által indukált gének azonosítását a Synechocystis 6803 cianobaktériumban. Feltevésünk szerint a 1O2 jelenlétére gyorsan indukálódó gének között azonosíthatók a jelátviteli lánc elsődleges elemei, amelyek további gének kifejeződését szabályozzák. Ennek tisztázására 1O2-re indukálódó géneket inaktiválunk és a mutánsok transzkript mintázatának vizsgálatával azonosítunk a jelátviteli láncban később elhelyezkedő elemeket. Az intracelluláris 1O2 jelenlétére biolumineszcenciát kibocsátó szenzor mutánsok létrehozásának célja a 1O2 képződés mechanizmusainak vizsgálata, beleértve fénytől független útvonalakat is. Munkánk igen fontos hipotézise szerint az előzetes vizsgálataink során kimutatott metabolitok, amelyek a sejtekből történő kiválasztódás után képesek a sejteken kívüli térben 1O2 generálására, fontos szerepet játszhatnak cianobaktériumok és egyéb mikroalgák (Symbiodinium) környezetükkel való kölcsönhatásaiban. Ennek ellenőrzésére irányul a metabolitok részletes jellemzésére tervezett munka, valamint a metabolitok által a cianobaktériumok környezetében található organizmusokra gyakorolt hatások vizsgálata.
Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!
A szinglet oxigén egy nagyon fontos reaktív oxigén forma, amelynek szerepe jelátviteli folyamatok közvetítésében csak az utóbbi időben kezd körvonalazódni. Cianobaktériumok esetén, amelyek a Föld legősibb oxigéntermelő fotoszintetikus szervezetei, és a vízi ökoszisztémákban és globális napenergia átalakításban játszott fontos szerepük miatt kiemelt fontosságú kutatási területet jelentenek, eddig nem vizsgálták a szinglet oxigén jelátviteli szerepét. Ezért az általunk javasolt projekt egy nagyon időszerű és fontos kutatás beindítását célozza, amelynek megvalósításából jelentős nemzetközi szintű hatás várható a környezeti hatásokra adott stresszválaszok szabályzásának megértésében. Projektünknek egy teljesen új aspektusa a cianobaktérium és más mikroalga sejtek által kiválasztott szinglet oxigén képződést indukáló metabolitok hatásainak megértését célozza. Ezek a metabolitok a sejteken kívüli térben indukált szinglet oxigén képződésen keresztül alkalmasak arra, hogy a cianobaktériumok befolyásolják a környezetükben lévő más szervezetek fiziológiai folyamatait. Ez egy teljesen új megközelítés, amit az irodalomban még nem írtak le, így a hipotézis igazolásából jelentős nemzetközi visszhangot kiváltó eredmények várhatók. A projekt várható konkrét eredményei a következők: (i) Szinglet oxigén által indukálható gének azonosítása és jellemzése Synechocystis 6803-ban. (ii) Synechocystis 6803 riporter mutánsok előállítása, amelyek a sejteken belüli szinglet oxigén koncentráció növekedésére biolumineszcencia kibocsátásával reagálnak és lehetővé teszik oxidativ stresszválaszok részletes vizsgálatát. (iii) Szinglet oxigén által indukált génekben hiányos Synechocystis 6803 mutánsok előállítása, és ezen mutánsok transzkripciós mintázatának vizsgálata révén a szinglet oxigén által közvetített intracelluláris jelátviteli folyamatok meghatározó elemeinek azonosítása. (iv) Szinglet oxigén képződést indukáló metabolitok biokémiai és szerkezeti jellemzése, és szerepük tisztázása a cianobaktériumok és környezetük kölcsönhatásaiban. (v) A sejten belüli és sejten kívüli szinglet oxigén képződés mechanizmusainak megértése Symbiodinium esetén, illetve a szinglet oxigén potenciális szerepének tisztázása korall szimbiózisban.
A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára.
A szinglet oxigén (1O2) az oxidatív stressz egyik fontos közvetítője, ami különösen a fotoszintetikus szervezetekben játszik fontos szerepet. Az ezzel kapcsolatos kutatások fontos új tendenciája az, hogy károsító hatásai mellett a 1O2 sejteken belüli jelátviteli folyamatokban is szerepet játszik. Ezt eddig magasabb rendű növényekben mutatták ki, és nincs információ arról, hogy a növényi fotoszintézis hasznos modellszervezeteiként szolgáló cianobaktériumokban van-e jelátviteli szerepe a 1O2-nek. Előzetes eredményeinkre építve tervezzük a 1O2 által indukált jelátviteli komponensek azonosítását szerepük vizsgálatát a Synechocystis cianobaktériumban. Kifejlesztünk olyan cianobakteriális bioszenzorokat, amelyek a sejteken belüli 1O2-t biolumineszcencia kibocsátásával jelzik. Tervezzük azon metabolitok részletes jellemzését, amelyekről korábban megmutattuk, hogy a Synechocystis sejtekből történő kiválasztás után a sejteken kívüli térben 1O2 képződést indukálnak. Ehhez kapcsolódóan tisztázni kívánjuk azt a nagyon érdekes és potenciálisan új kutatási távlatokat nyitó lehetőséget, hogy a sejteken kívüli 1O2 képződés fontos szerepet játszhat a cianobaktériumok és környezetükben található más élőlények kölcsönhatásaiban. Fontos további kutatási célunk a 1O2 keletkezésének és fiziológiai szerepének felderítése korallokban, amelyek polip állatokba telepedett fotoszintetizáló ostoros algák szimbiózisaként élnek. Előzetes eredményeink szerint az ostoros algák sejtjeiken belül és kívül is termelnek 1O2-t, ami szerepet játszhat a szimbiózis fenntartásában, illetve felbomlásában, aminek globális mértékű ökológiai következménye az egyre nagyobb méreteket öltő korallpusztulás.
| Summary Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
Singlet oxygen (1O2), a highly reactive oxygen species, which induces irreversible modifications of proteins, lipids, and other cellular components. This effect leads to damage of living cells under the conditions of oxidative stress, which produces high levels of intracellular 1O2. However, the high reactivity of 1O2 can also be utilized in targeted modifications of cellular components influencing the expression of various genes or modifying transcription factors and thereby participates in signaling pathways. While the signaling role of 1O2 has been demonstrated in higher plants there are no such data in the very useful cyanobacterial systems. During our preliminary studies we have developed a method for the detection of intracellular 1O2 in microalgae, identified 1O2 inducible cyanobacterial genes, and demonstrated that cyanobacteria and other microalgae excrete previously unknown metabolites which sensitize extracellular 1O2 production. Based on these preliminary findings we plan to: (i) Identify 1O2-inducible signaling components in the cyanobacterium Synechocystis 6803, and to clarify their physiological role. (ii) Construct Synechocystis 6803 sensor mutants, which respond to the increase of intracellular 1O2 level by bioluminescence emission. (iii) Identify the biochemical composition and structure of 1O2 sensitizing metabolites, as well as characterization of their influence on other living organisms in the environment of cyanobacteria. (iv) Characterize 1O2 production inside Symbiodinium cells, and by excreted extracellular metabolites, as well as to understand the potential role of 1O2 in the maintenance and breakdown of coral symbiosis.
What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.
The primary aim of our research is to clarify the role of singlet oxygen (1O2) in intracellular signaling in cyanobacteria, and in extracellular interactions of cyanobacteria and dinoflagellates with their living environment. Our basic hypothesis is that 1O2-modified cellular components participate in signal transduction in cyanobacteria, which are highly useful model organisms to study environmental stress responses. To validate this hypothesis we will explore 1O2 induced global transcript changes in Synechocystis 6803, and identify selectively 1O2 inducible genes. We also hypothesize that it is possible to find the initial components of the 1O2 dependent signaling pathway among the genes whose mRNA level responds rapidly to low level of 1O2. In order to check this idea deletion mutants of early 1O2 responsive genes will be created, and 1O2 induced global transcript changes will be followed in the mutants to identify downstream located signaling components. We plan to create Synechocystis sensor mutants, which emit bioluminescence in response to intracellular 1O2 production. These mutants will be very useful to study 1O2 production mechanisms, including light independent pathways. A highly important hypothesis of our project is that excretable metabolites, which were shown to produce extracellular 1O2 in our preliminary studies, play an important role in the interaction of cyanobacterial and dinoflagellate cells with their environment. This will be verified by detailed characterization of the 1O2 sensitizing compounds, as well as their effect on the growth and physiological responses of other organisms, which occur in the natural environment of microalgae.
What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.
Cyanobacteria are the most ancient oxygenic photosynthetic organisms on Earth, which are vital constituents of global scale aquatic ecosystems. Their small and well known genomes combined with natural transformability in some strains, especially Synechocystis 6803, make them very important research targets. Understanding the role of 1O2 in intracellular signaling is an emerging research field, with so far very limited information in cyanobacteria. Our project targets a highly timely topic, which has not been explored in the international literature. Successful completion of the planned work has a potential to open a new research direction on the role of 1O2-mediated intracellular signaling in cyanobacteria, which could be involved in responses to various environmental stimuli. An even more important outcome is expected from the exploration of the role of excretable 1O2 sensitizing metabolites in extracellular communication of cyanobacteria and symbiotic dinoflagellates with their living environment. This is a novel idea, which has not been described in the international literature, therefore its exploration could lead to cutting edge results.
The particular results, which are expected from the project, are the following:
(i) Identification of selectively 1O2 inducible genes in Synechocystis 6803, and characterization of their responses to extra- and intracellular 1O2 sources, (ii) Creation of Synechocystis 1O2 sensor strains, which respond to changes in intracellular 1O2 levels by bioluminescence emission and will provide a versatile tool for studying oxidative stress responses. (iii) Identification of key elements of 1O2-dependent cyanobacterial signaling pathways by genome-wide transcript profiling of mutant strains in which specific 1O2-responsive genes are deleted. (iv) Biochemical and structural characterization of 1O2-sensitizing cyanobacterial metabolites, as well as understanding their potential in the interaction of cyanobacteria with living organisms in their environment. (v) Detailed understanding of intra- and extracellular 1O2 production in the symbiotic dinoflagellate Symbiodinium, which will be vital for future studies aiming at the elucidation of the potential role of 1O2 in coral symbiosis.
Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others.
Singlet oxygen is an important inducer and mediator of oxidative stress, which is plays a particularly significant role in photosynthetic organisms. An important new tendency of singlet oxygen related research is an increasing emphasis on its role played in signal transduction events. This phenomenon has so far been demonstrated in higher plants, however, there is no information on such features in cyanobacteria, which represent an important model system of regarding the mechanism of photo-oxidative stress. Based on our very promising preliminary results we plan to identify genes whose protein products participate in singlet oxygen-mediated signaling events in the cyanobacterium Synechocystis 6803. Based on the identification of selectively singlet oxygen responsive genes we will develop Synechocystis sensor strains which report intracellular singlet oxygen production by bioluminescence emission. We plan the identification and detailed characterization of excreted metabolites, which according to our preliminary results are capable for extracellular singlet oxygen production under illumination. We also plan to clarify the role of these metabolites in the interaction of cyanobacteria with other living organisms in their environment. Further important goal of our research is to characterize intra- and extracellular singlet oxygen production in the dinoflagellate Symbiodinium, which serves as photosynthetic symbiont in corals, and to clarify the potential role of singlet oxygen in maintaining the symbiotic relationship.
|
|
|
|
|
|
|
|
| |
List of publications |
|
|
| István Zoltán Vass, Péter B. Kós, Ateeq ur Rehman, Imre Vass: Characterization of an intriguing substance from the growth medium of Synechocystis PCC 6803., 10th European Workshop on the Molecular Biology of Cyanobacteria. Cluj, Aug. 20-24., 2017 | | Imre Vass: The role of Singlet Oxygen in Photoinhibition of Photosystem II., Oxygen Production and Reduction in Artificial and Natural Systems, J. Barber, P. Nixon and A.V. Ruban eds., World Scientific Publishers. pp. 91-118, 2019 | | Tibiletti,T., Rehman, A.U., Vass, I., Funk, C.: The stress-induced SCP/HLIP family of small lightharvesting-like proteins (ScpABCDE) protects Photosystem II from photoinhibitory damages in the cyanobacterium Synechocys, Photosynthesis Research, DOI 10.1007/s11120-017-0426-3, 2017 | | Ateeq ur Rehman, Milan Szabó, Zsuzsanna Deák, Anthony Larkum, Peter J. Ralph and Imre Vass: Presentation title: Singlet oxygen production in intact microalgae: mechanism and detection methods, International Conference on “Plants: Their Chemical and Biological Applications for Today and Tomorrow” April 12-14, 2017 Department of Botany University of Gujrat, Pakis, 2017 | | Imre Vass, László Sass1, Anthony Larkum, Peter Ralph and Ateeq ur Rehman: A fluorescence wave phenomenon reflects the interaction of photosyntethetic and respiratory electron transport in Symbiodinium, Aquafluo II Conference, Sydney, UTS, 2017, December 4-8, 2017 | | Tibiletti,T., Rehman, A.U., Vass, I., Funk, C.: The stress-induced SCP/HLIP family of small lightharvesting-like proteins (ScpABCDE) protects Photosystem II from photoinhibitory damages in the cyanobacterium Synechocys, Photosynthesis Research, 135 (1-3): 103-114, 2018 | | Ivy Mallick, István-Zoltán Vass1, Péter Kós, Imre Vass: Singlet oxygen responsive genes in the cyanobacterium Synechocystis PCC 6803, First European Congress on Photosynthesis, Uppsala, 2018, June 25-28, 2018 | | Prithwiraj Kirtania,Barbara Hódi1,2, Ivy Mallick, István Zoltan Vass, Tamás Fehér, Imre Vass, Peter B. Kós: A single plasmid based CRISPR interference in Synechocystis 6803 – A proof of concept, PLOS ONE, 2019 | | Ivy Mallick, István-Zoltán Vass, Péter Kós, Imre Vass: Singlet oxygen responsive genes in the cyanobacterium Synechocystis PCC 6803, First European Congress on Photosynthesis, Uppsala, 2018, June 25-28, 2018 | | Barbara Hodi, Istvan Zoltan Vass, Ivy Mallick, Gabor Patyi, Peter B. Kos, Imre Vass: Effect of singlet oxygen on gene expression profile in Synechocystis PCC6803., 9th Symposium on Microalgae and Seaweed Products in Plant/Soil-Systems Mosonmagyaróvár, Hungary, June 25-26, 2019 | | Gábor Patyi, Barbara Hódi, István Zoltán Vass, Imre Vass, Péter Kós: Assessment of intracellular singlet oxygen by GFP fluorescence in Synechocystis PCC6803, Book of Abstracts, 9th Symposium on MICROALGAE AND SEAWEED PRODUCTS IN PLANT/SOIL-SYSTEMS,25-26 June 2019 Mosonmagyaróvár – Hungary, 2019 | | Sandeesha Kodru, Atteq ur Rehman, Imre Vass: Chloramphenicol enhances Photosystem II photodamage in intact cells of the cyanobacterium Synechocystis PCC 6803, Photosynthesis Research, 145: 227-235, 2020 | | Ateeq ur Rehman, Faiza Bashir, Ferhan Ayaydin, Zoltán Kóta, Tibor Páli, Imre Vass: Proline is a quencher of singlet oxygen and superoxide both in in vitro systems and isolated thylakoids, Physiologia Plantarum, 172:7–18, 2020 | | Milan Szabó, Anthony Larkum, Imre Vass: A Review: The Role of Reactive Oxygen Species in Mass Coral Bleaching, Advances in Photosynthesis and Respiration Vol. 45, Photosynthesis in Algae: Biochemical and Physiological Mechanisms, Raven, John A.; Grossman, Arthur R.; Larkum, Antho, 2020 | | Ateeq Ur Rehman, Milan Szabo, Zsuzsanna Deak, Laaszlo Sass, Anthony Larkum, Peter Ralph, Imre Vass: Symbiodinium sp. cells produce light-induced intra- and extracellular singlet oxygen, which mediates photodamage of the photosynthetic apparatus and has the potential to, New Phytologist, 2016 | | Faiza Bashir, Ateeq Ur Rehman, Milán Szabó, Imre Vass: Singlet oxygen damages the function of Photosystem II in isolated thylakoids and in the green alga Chlorella sorokiniana, Photosynthesis Research, 2021 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
